Les calculs numériques, au cœur des outils de simulation aéraulique, permettent de visualiser avec une précision remarquable les zones de concentrations et de dépôts des gaz et des particules. Cette capacité de visualisation est fondamentale pour de nombreux secteurs industriels, allant de la construction de machines et d'installations à l'aérospatiale, en passant par l'ingénierie des bâtiments. L'objectif est de comprendre et de maîtriser le comportement des fluides, qu'ils soient gazeux ou liquides, et d'anticiper leurs interactions avec leur environnement.
Tech Systèmes, par exemple, met en avant ses fortes compétences en calcul aéraulique. Son bureau d’études est à même de proposer des simulations avancées pour modéliser le comportement de vos fluides. Cette modélisation est particulièrement cruciale lorsqu'il s'agit de prélever des polluants. Pour que ce prélèvement soit représentatif, il est impératif de visualiser les zones de dépôts préférentielles. L’étude par simulation numérique devient alors une aide précieuse pour prévoir, aux justes coûts, la stratégie de surveillance la plus efficace. Mieux vaut prévenir des risques d'hétérogénéité en amont d'une implantation ou lors d'essais de qualification, plutôt que de devoir corriger des problèmes coûteux a posteriori.
Dans le domaine de l'aérospatiale, des outils spécialisés comme l'Aerospace Toolbox de MATLAB sont conçus pour analyser le mouvement, la mission et l'environnement des véhicules aérospatiaux. Cela englobe les opérations mathématiques spécifiques à l'aérospatiale, les transformations de systèmes de coordonnées spatiales, et l'utilisation de modèles d'environnement validés pour interpréter les données de vol. Il est possible d'importer des fichiers Data Compendium (DATCOM) ou des objets "Fixed Wing Aircraft" pour obtenir les caractéristiques aérodynamiques d'un véhicule. L'Aerospace Toolbox permet également de concevoir et d'analyser des scénarios complexes impliquant des satellites et des stations sol. La propagation de trajectoires de satellites, à partir d'éléments orbitaux tels que les OMM (Orbital Mean-Elements) ou les TLE (Two-Line Elements), est une fonctionnalité clé. De plus, il est possible de charger des éphémérides de satellites et de constellations, d'importer des données météorologiques spatiales, d'effectuer des analyses de mission comme l'accès en ligne de visée (LOS - Line-Of-Sight), et de visualiser ces scénarios sur un globe 3D interactif. La conception et l'analyse de scénarios composés de satellites, de stations sol et d'aéronefs sont facilitées par l'utilisation de modèles d'environnement validés qui représentent les profils atmosphériques standard, les champs de gravité et magnétiques. La modélisation des conditions de vent et des données météorologiques spatiales est également intégrée.
Luwa Air Engineering AG, leader dans la fourniture de systèmes aérauliques industriels, illustre parfaitement l'importance de l'efficacité énergétique. Leur nouveau ventilateur axial B600, développé avec un souci constant d'efficacité, établit de nouvelles références en matière d'efficacité aérodynamique. Les ventilateurs axiaux, utilisés pour le soufflage et l'extraction d'air, sont parmi les principaux consommateurs d'énergie électrique dans les filatures et les tissages, représentant environ 55 % de la consommation électrique totale des installations de climatisation et de filtration dans une filature, et jusqu'à 75 % dans un atelier de tissage. L'objectif pour la nouvelle génération de ventilateurs axiaux Luwa était donc clair : réduire la consommation d'électricité, augmenter la puissance du ventilateur et diminuer le niveau sonore.
Pour atteindre ces objectifs ambitieux, CADFEM a été sollicité pour étudier l'intégrité structurelle des pales du ventilateur. En fonctionnement, ces pales ne doivent absolument pas entrer en résonance, tout en étant soumises à des charges centrifuges et aérodynamiques importantes. La solution a résidé dans une approche de simulation poussée. Afin d'éviter les résonances, le comportement dynamique du rotor a été minutieusement étudié par analyse modale, en prenant en compte les effets gyroscopiques. Les modes propres calculés ont ensuite été évalués à l'aide de diagrammes de Campbell et SAFE. Cette méthodologie rigoureuse permet d'exclure toute interaction potentielle entre la vitesse de rotation, le diamètre du nœud du disque et les fréquences propres des pales, garantissant ainsi la stabilité du système.
Les avantages pour Luwa Air Engineering AG sont considérables. Le design a été amélioré d'environ 4 %, se traduisant par une réduction de la consommation d'énergie cumulée des ventilateurs installés de 1,2 MW par an. De plus, les coûts associés aux prototypes et au personnel, qui auraient été nécessaires pour les cinq itérations de conception traditionnellement requises, ont été supprimés, générant une économie de plus de 80 000 €. La stabilité rotodynamique et l'intégrité structurelle ont été obtenues sans avoir recours à de longs cycles de prototypage et de tests physiques. Grâce à la simulation, les problèmes de résonance ont été éliminés dès la phase de conception. Pour parvenir à ce résultat, plusieurs améliorations de la géométrie des aubes ont été étudiées. Lorsque le comportement dynamique a été jugé satisfaisant, la vérification de la résistance a été effectuée. La simulation comprenait une première étape de chargement simulant la précontrainte par vis lors du montage de la roue de ventilateur. Dans une deuxième étape, la vitesse de rotation et les valeurs de pression aérodynamique, calculées avec ANSYS CFX, ont été introduites. Les contraintes résultantes ont été évaluées à l'aide de la solution WB/FKM de la boîte à outils CADFEM ihf.
La représentation 3D des flux d'air, depuis les grilles de soufflage jusqu'aux bouches d'aspiration, est une visualisation puissante pour vérifier la bonne ventilation d'une pièce ou d'une enceinte. Elle permet d'identifier les "zones mortes", ces espaces où l'air neuf n'est pas correctement diffusé. Ces zones sont particulièrement problématiques dans les environnements sensibles comme les laboratoires pharmaceutiques, les usines de production agro-alimentaire, ou les locaux humides recevant du public, car elles favorisent la concentration et le développement de polluants.
Dans la conception de bâtiments modernes, la validation des performances énergétiques et du confort est une étape incontournable. La maquette numérique centralise les données géométriques et techniques, mais son potentiel pour anticiper le comportement réel des systèmes reste souvent sous-exploité. Les bureaux d'études techniques sont ainsi conduits à rechercher des méthodes fiables pour évaluer, dès les phases amont, l'efficacité des installations qu'ils conçoivent. Cette démarche se heurte à la complexité de l'analyse des mouvements de fluides au sein d'une construction. Modéliser précisément les flux aérauliques d'un système de ventilation ou la dynamique des réseaux hydrauliques exige une approche rigoureuse, depuis la préparation du modèle jusqu'à l'interprétation des résultats. Assurer la cohérence entre le modèle de conception et le modèle d'analyse constitue un défi majeur pour garantir la pertinence de la simulation numérique.
Pour répondre à ces problématiques, des outils spécialisés permettent d'intégrer ces calculs complexes dans les flux de travail BIM (Building Information Modeling). Tridyme est une plateforme cloud proposant un marketplace d'applications dédiées au calcul de structures et à la visualisation de maquettes BIM. Elle intègre des outils accessibles via navigateur web, incluant un moteur d'intelligence artificielle nommé Calypso, ainsi que des applications mobiles. CYPEHVAC est un logiciel dédié à la conception des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC). Il permet de dimensionner une large gamme d'équipements, tels que radiateurs, ventilo-convecteurs, chaudières, pompes à chaleur, réseaux de ventilation canalisée, unités de récupération de chaleur, ventilateurs et centrales de traitement d'air. Intégré à l'environnement Open BIM, il exploite les modèles architecturaux et les résultats d'analyse thermique CYPETHERM LOADS pour optimiser la conception des installations CVC. CYPETHERM COMETH est un module de simulation thermique dynamique destiné à l'analyse des performances énergétiques des bâtiments. Il permet d'évaluer les consommations énergétiques, le confort thermique et les impacts des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation. DesignBuilder est un outil avancé de simulation énergétique et environnementale des bâtiments, facilitant l'évaluation rapide des performances en énergie, carbone, éclairage et confort, et permettant la comparaison fonctionnelle et la validation des concepts architecturaux dans une démarche de conception durable. Leidingen est un outil modulaire dédié à la modélisation et au calcul de réseaux de canalisations, utilisant une interface isométrique pour une saisie rapide et intuitive des systèmes. Il permet de gérer plusieurs sous-systèmes avec une distinction claire par couleurs et calques, tout en extrayant les données nécessaires aux calculs directement de la saisie. Siradel propose une suite logicielle dédiée à la modélisation et à l'optimisation des réseaux de télécommunications, incluant des outils pour des simulations précises de propagation radio et l'optimisation de conception de réseaux, notamment pour les technologies B5G/6G. IES VE est une plateforme de simulation énergétique et environnementale destinée à l'analyse avancée des performances des bâtiments, évaluant l'efficacité énergétique, le confort thermique, la qualité de l'air intérieur et l'impact environnemental. Plancal nova est une solution intégrée combinant CAO et calculs techniques pour les bureaux d'études et entreprises spécialisées en génie climatique, permettant la conception, le dimensionnement et la modélisation des installations CVC.
Le paysage des solutions de simulation CFD (Computational Fluid Dynamics) pour le bâtiment révèle des logiques de marché distinctes. Certains outils privilégient une intégration native aux plateformes BIM pour fluidifier le flux de travail numérique, tandis que d'autres, en tant que logiciels spécialisés, se concentrent sur la profondeur de l'analyse physique pour l'aéraulique et l'hydraulique. Le choix s'oriente donc naturellement selon des variables contextuelles, comme les contraintes d'interopérabilité, l'écosystème logiciel en place ou la maturité BIM de l'organisation. La complexité des phénomènes à modéliser sur un projet spécifique est également un facteur déterminant. Ces outils s'inscrivent dans une évolution où l'analyse prédictive devient une composante itérative du processus de conception, et non plus une expertise finale et isolée. L'adéquation d'une solution se mesure ainsi à sa capacité à s'aligner sur ces processus et à fournir le niveau de détail requis.
Dans des contextes à haut risque, comme les installations nucléaires, des outils spécifiques sont développés pour étudier les risques liés à l'incendie et à l'explosion. Le logiciel CALIF3S est un exemple d'outil de calcul de référence pour l'étude de ces risques, et il est également utilisé pour l'aérocontamination dans les circuits de ventilation par le Service du Confinement et de l'Aérodispersion (SCA). Le réseau de ventilation est modélisé par un ensemble d'éléments (conduites, filtres, clapets, ventilateurs, organes de régulation…). Des corrélations d'échange de masse et de chaleur complètent les équations de bilan de masse et d'énergie des zones. CALIF3S permet d'étudier les écoulements turbulents réactifs, et son application "explosion" considère les écoulements compressibles ou incompressibles, la dispersion (formation de l'atmosphère explosive) et la propagation d'onde de pression. Le logiciel CALIF3S est en Open-source et distribué sous licence CeCILL-C.
Les systèmes experts (SE) représentent une autre approche avancée. Ce sont des outils d'IA permettant d'appréhender le comportement d'une installation en établissant des relations entre ses différentes propriétés sur la base d'un grand nombre de simulations. Ils permettent d'établir le diagnostic ou le pronostic le plus probable d'un scénario accidentel dans une installation. La propagation de l'information est réalisée en un temps négligeable au moyen d'un moteur d'inférence basé sur les réseaux bayésiens. La base de données d'apprentissage peut être établie par des simulations dont les paramètres d'entrée sont échantillonnés aléatoirement par une méthode Monte-Carlo, suivant une loi de distribution définie par l'utilisateur. L'outil GDEXP vise à regrouper et organiser les données produites lors d'essais expérimentaux, comme ceux menés sur la plateforme expérimentale Galaxie.
La résolution couplée entre un code CFD comme CALIF3S et un code à zones comme SYLVIA est une stratégie puissante pour simuler le déroulement d'un incendie dans une installation ventilée mécaniquement. CALIF3S offre une description précise mais coûteuse de la zone d'incendie, tandis que SYLVIA, moins coûteux, apporte les informations indispensables pour prendre en compte les interactions entre la zone de feu et le reste de l'installation à travers le réseau de ventilation. PELICANS est une librairie qui facilite le développement de logiciels de calcul pour résoudre des équations aux dérivées partielles (EDP), utilisée par des logiciels comme CALIF3S. PELICANS est également en Open-source et distribué sous licence CeCILL-C. Ces plateformes logicielles soutiennent de nombreux projets de recherche, tels que les projets PRISME et FAIR sous l'égide de l'Agence de l'Énergie Nucléaire de l'OCDE.
Mecaflux standard, dans sa partie dédiée au calcul des pertes de charges, permet l'étude des réseaux tronçon par tronçon, ce qui est souvent suffisant pour des systèmes de distribution de fluides simples. Cependant, pour les réseaux ramifiés plus complexes, une modélisation complète du réseau en 3D, avec la résolution des débits d'équilibrage des branches, apporte une rapidité, un confort et une ergonomie incontournables. L'ergonomie a donc été optimisée pour la création rapide et intuitive des réseaux hydrauliques et aérauliques. Le logiciel "Mecaflux Réseaux Pro3D" est spécifiquement conçu pour l'étude des réseaux hydrauliques et aérauliques ramifiés, y compris ceux admettant des boucles.
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